Razvoj realno-časovnega krmilnega sistema za avtonomno platformo Genesis na platformi ARM

Avtor: Hrvoje Pučak

Mentor: Matej Rojc
Stopnja: Študijski program 2. stopnje Elektrotehnika, Smer elektronika
Datum: Maj, 2021
DKUM: HRVOJE PUČAK

Povzetek

V zadnjih letih se vse bolj razvijajo popolnoma avtonomna in delno avtonomna vozila, običajno električna ali hibridna. Večina teh vozil uporablja sisteme, ki so zasnovani kot skupina upravljanih podmodulov, namesto da bi uporabljali eno centralno enoto za upravljanje vseh posameznih komponent. To prinaša številne prednosti, kot so sposobnost nadgradnje, optimizacije in standardizacije. Magistrska naloga temelji na razvoju modula, ki bo del platforme avtonomnega vozila Genesis II. Naloge, ki jih opravlja modul je natančno merjenje hitrosti vozila, ocenitev smeri in lokacije, nadzor baterij in kontrola pogonskih motorjev in krmiljenja. Modul bazira na ARM mikroprocesorju. V kontekstu platforme Genesis II, izvaja modul nižjenivojske naloge, ostali moduli pa izvajajo nižjenivojske ali višjenivojske naloge, odvisno od stopnje zapletenosti naloge, ki jo opravljajo. Glavni modul, ki nadzira vse druge module, temelji na vgrajeni računalniški platformi NVIDIA Jetson TX-2. To delo je del projekta, ki temelji na konceptu avtonomne mobilne platforme Genesis II. To je platforma, ki se uporablja za inteligentne interaktivne sisteme, realizirana kot električno vozilo v merilu 1:10.

Realno-časovni sistem krmiljenja z uporabo ARM procesorja

Glavna naloga modula je merjenje in nadzor hitrosti električnega avtonomnega vozila. To izajamo preko povratne zanke, ki jo sestavljajo: senzor hitrosti, aktuator, ki krmili motorje, in krmilna enota. Merjenje hitrosti je mogoče izvesti na več načinov, vendar je za namene naše rešitve predlagan integriran magneto odporni senzor, ki predstavlja najprimernejšo rešitev za dano platformo. Hitrost vozila nadzoruje krmilnik, ki uporablja H-mostič in vmesnik za PWM. Hitrost, ki jo merimo, primerjamo z referenčno vrednostjo, ki jo nastavi glavni modul, vrednost izhodnega signala pa izračunamo s krmilnikom PI. Krmilnik uravnava napajalno napetost motorja glede na sprejeti signal in s tem spreminja hitrost vozila. Krmiljenje je izvedeno z uporabo dveh enosmernih motorjev, konfiguriranih s servo pogonom, z vgrajenim vmesnikom PWM. Vsak motor upravlja krmiljenje sprednjih in zadnjih koles. Delovni cikel signala PWM določa stopnjo vrtenja gredi motorja, ki je povezana z volanskim delom. Ustrezno stopnjo izračuna glavni modul z upoštevanjem vhodnih informacij iz vseh vhodnih naprav in v idealnem primeru se spreminja od -90 ° do +90 °. V tej konfiguraciji se minimalne in največje vrednosti dodatno zmanjšajo zaradi mehanskih omejitev platforme. Motorji so glavni porabniki energije, zato je potrebno spremljati njihovo porabo in stanje. Ker se celoten sistem napaja z dvema baterijama, sta v krmilni modul vgrajeni dve neodvisni kontroli napajanja. Prva baterija napaja glavni modul in dele sistema z višjo prioriteto, druga pa motorje in vse module z nižjo prioriteto.

Razvoj sistema

Osrednja komponenta predlaganega krmilnega sistema je mikrokrmilnik ARM. Ta komponenta je namenjena branju vrednosti s senzorjev, krmiljenju aktuatorjev, komunikaciji z drugimi enotami itd. Mikrokrmilnik ARM, izbran za to platformo, je STM32F722. To je 32-bitni mikrokrmilnik Cortex-M7 na osnovi ARM z največjo frekvenco jedra 216 MHz. Periferne enote mikrokrmilnika STM32F722, ki so potrebne za delovanje krmilnega modula, so serijski komunikacijski vmesniki, kot so I2C, UART in SPI, časovniki, ki se uporabljajo za generiranje signalov PWM ali merjenje njihove frekvence, in GPIO. Vse te zunanje naprave imajo bogat nabor nastavljivih parametrov, ki jim omogočajo, da se prilagodijo potrebam posebne naloge, za katero se uporabljajo. Senzor, ki se uporablja za merjenje hitrosti vozila Genesis II, je KMI16/1 podjetja NXP. To je integrirano tipalo hitrosti vrtenja, sestavljeno iz magnetno odpornega senzorskega elementa, integriranega vezja za kondicioniranje signala v bipolarni tehnologiji in feritnega magneta. Tipalo je zasnovano tako, da ujame gibanje feromagnetnih zobnikov. Pogonski sklop vozila sestavljata dva enosmerna motorja RS-540SH-7520, gonilnik motorja MD03, krmilna enota, in druge mehanske komponente, kot so mehanski reduktor hitrosti, pogonske gredi, diferenciali in osi. Pogonski motorji so konfigurirani za delo vzporedno, zato je skupna največja izhodna moč okoli 180 W, porazdeljena na vsa štiri kolesa. Hitrost vrtenja pogonskih motorjev je pri gredi približno 20 000 vrt/min, kar je sicer preveč za neposredno vožnjo vsakega kolesa. Zato je reduktor potreben – da se zmanjša osna hitrost in poveča navor. Prestavno razmerje reduktorja hitrosti je 34:1, kar zmanjša hitrost vrtenja izhodne gredi reduktorja na približno 588 vrt/min. Hitrost vrtenja pogonske osi se dodatno zmanjša zaradi diferencialov, ker je tudi njihovo prestavno razmerje večje od 1:1.